电子产品电磁兼容性设计探讨

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  电子产品电磁兼容性设计探讨

电子、电气产品电磁兼容性设计的目的，是使电子、电气产品在预期的电磁环境中能正常工作、无性能降低或故障，而且具有对该电磁环境中的任何事物不构成电磁骚扰的能力。电子、电气产品电磁兼容性设计的基本方法是指标分配和功能分块设计。也就是说，首先要根据有关标准和规范，把整个产品的电磁兼容性指标要求逐级分配到各个功能块上，细分成产品级的、模块级的、电路级的和元器件级的指标；然后，按照各级要实现的功能和电磁兼容性指标要求分别进行设计，采取一定的防护措施等。做好电子、电气产品电磁兼容性设计需要注意以下八个问题：
 
     一、必须在产品研制开发的初始阶段，同时进行电磁兼容性设计

　　　　经验证明，对于一种产品，如果在开发时解决电磁兼容性问题所需的费用定为1，那么，到定型时再解决，可能需要10倍的费用，到批量生产时需100倍，而如果到用户使用后，发现问题时再解决，费用可能高达1000倍。这就是说，如果在产品研制开发的初始阶段，同时进行电磁兼容性设计，就可以把80％～90％的电磁兼容性问题解决在设计定型之前。如果等到生产或使用阶段再去解决，非但在技术上造成很大难度，而且还会造成人力、财力的极大浪费。由此可见，对于任何一种产品，尽早解决电磁兼容性问题是非常必要的。

  二、芯片等有源器件的选用和印制电路板设计是关键

　　首先，必须注意芯片等有源器件固有的敏感特性和电磁骚扰发射特性，芯片等有源器件可以分为两类：调谐器件和基本频带器件。调谐器件起带通元件作用，其频率特性包括：中心频率、带宽、选择性和带外乱真响应。基本频带器件起低通元件作用，其频率特性包括：截止频率、通带特性、抑制斜率和乱真响应；除频率特性外，还有输入阻抗特性、输入端的平衡不平衡特性和敏感度特性。模拟器件的敏感度特性取决于灵敏度和带宽；数字器件的敏感度特性取决于直流噪声容限或噪声抗扰度。芯片等有源器件有两种电磁骚扰发射源：传导骚扰源和辐射骚扰源。数字器件是一种最常见的宽带骚扰源，其翻转时间或上升／下降时间越短，所占频谱越宽。瞬态地电流是传导骚扰和辐射骚扰的初始源，减小瞬态电流必须减小印制电路板接地阻抗和使用去耦电容。为了控制印制电路板的差模辐射，需将信号线和回线紧靠在一起，减小信号路径形成的环面积；为了控制共模辐射，可以使用接地栅网或接地平面，也可使用共模扼流圈。当然，降低频率和信号电平，增加信号的上升／下降时间、合理选择接地点，都是降低辐射的重要措施。

　　其次，在设计印制电路板时，应优选多层板，将数字电路和模拟电路安排在不同层内；电源层应靠近接地层，并在接地层下方；骚扰源应单独安排一层，并远离敏感电路层。应注意，单面板虽然制造简单、装配方便，但只适用于一般电路要求，不适用于高组装密度或复杂电路的场合；而双面板适用于只要求中等组装密度的场合。印制电路板设计的基本原则是：20—H原则，H是两层面的距离，即元、器件平面应比接地层平面小20倍H，才能减小辐射；2—W原则，W是导线宽度，即导线间距不小于两倍导线宽度；导线应短、宽、均匀、直，如果转弯，应使用圆角；导线宽度不要突变，导线不要突然拐角。为了进一步控制辐射，印制电路板布线时，应遵循以下原则：信号线、电源线应尽可能靠近地线或回线，以减小差模辐射的环面积；各信号线中间用地线隔开，有助于减小交扰；数字器件按逻辑速度分组，相对集中，减小耦合，高频、高速器件要靠近印制板连接器；高电平电路应与敏感电路隔离等。

三、地线设计是最重要的设计，也是难度最大的一项设计

　　所谓“地”一般定义为电路或系统的零电位参考点，它可以是产品的金属外壳或接地平面。理想的接地平面应是零电阻的实体，电流在接地平面中流过时应没有压降，即各接地点之间没有电位差。在实际产品内，这种理想的接地平面或地线是不存在的。任何地线既有电阻又有电抗，当有电流通过时，地线上必然产生压降。接地类型有悬浮地、单点接地、多点接地、以及混合接地。悬浮地容易产生静电积累与静电放电，很少采用。由于地线不是理想的零阻抗对于单元电路来说，最好是一点接地。多级电路接地点应选在低电平电路的输入端，可减小地电位对电路的干扰。为防止多级小信号放大器和高增益放大器自激，通常应对它们进行屏蔽。放大器屏蔽罩应一点接地，其接地点应选在输出端地线上。大型复杂的电子、电气产品中往往包含有多种电子线路和各种电机、电器等元、部件，这时，地线应分组敷设。一般分为信号地线、噪声地线、金属件地线和机壳地线等，即“四套法”，这是解决地线干扰行之有效的方法。因此，大型复杂产品地线系统的设计可以按以下步骤进行：
　　1.分析产品内各类电气部件的骚扰特性；
　　2.分析产品内各电路单元的工作电平、信号种类和抗干扰能力；
　　3.将地线分类、划组；
　　4.画出总体布局图；
　　5.画出地线系统图。
　　由于两个不同的接地点之间存在地电压，电路多点接地、并且电路间有信号联系时，将构成地环路。地电压将叠加在有用信号上一起加到负载端，所产生的干扰为差模干扰。同时，外界电磁场也会在地环路中产生感应电动势，引起地电压，而产生差模干扰。如果两电路间的信号传输用两根导线，则地电压将加到两根导线上，由于这两根导线对地的阻抗不对称，地电压在两导线上产生的共模电流大小不等，最后在负载两端产生差模电压，这就是共模干扰。电子、电气产品中，因地环路引起的差模干扰和共模干扰，即地环路干扰，是必须认真对待的严重问题。
　　由于电子、电气产品总是采用具有一定面积的金属板，例如机壳，作为接地平面，而这类接地平面两点之间存在一定阻抗，当有接地电流通过时，就会产生地电压，引起地环路干扰。接地电流产生的原因主要有：两点接地或多点接地时，形成接地回路，由导电耦合引起接地电流；由于电路元件与接地平面之间存在分布电容，由电容耦合引起接地电流；当电路中的线圈靠近接地平面时，因电磁感应产生接地电流；当有辐射骚扰照射到接地平面时，也会产生感应电动势而引起接地电流。因此，接地平面上总是有地电压存在，如果叠加在有用信号上，就会造成干扰。为此，首先可将信号地线与机壳地线绝缘，使地环路阻抗大大增加，将地电压的大部分都降在该绝缘电阻上，加到导线上的那部分被大大减小了。其次，可以用平衡电路来代替不平衡电路，使信号线和回流线对地阻抗是平衡的，地电压驱动的共模电流在两条线中是相等的，因而在负载端没有差模干扰。此外，还可以用切断地环路的方法，抑制地环路干扰。如在两个电路之间插入隔离变压器、共模扼流圈或光电耦合器等，均可取得良好的效果。
　　为了抑制共模干扰，还应在靠近连接器处，把印制电路板的接地层分割出一块，作为专用的“干净”地。每条输入／输出线，包括信号线和回流线，都应分别并联去耦电容，并接至“干净”地。使印制板上的共模电流在输出前就被去耦电容所旁路。

  四、屏蔽技术用来抑制电磁骚扰沿着空间的传播

　　电磁骚扰沿空间的传播是以电磁场和电磁波的方式进行的，通常可用金属材料或磁性材料把所需屏蔽的区域包围起来，使屏蔽体内外的“场”相互隔离，就可切断电磁骚扰的传播，实现屏蔽。对于屏蔽作用的评价可以用屏蔽效能来表示。屏蔽效能即未加屏蔽前，待测点的电场强度或磁场强度与加上屏蔽后，待测点的电场强度或磁场强度之比值。
　　电场屏蔽是抑制电场骚扰源和敏感设备之间由于存在电场耦合而产生的干扰。电场屏蔽的必要条件是金属屏蔽体和接地。
　　磁场屏蔽是抑制磁场骚扰源和敏感设备之间由于存在磁场耦合而产生的干扰。不同频率下，磁场屏蔽应采取不同的措施。在磁场频率比较低时，可用铁、硅钢片等铁磁性材料，进行屏蔽。铁磁性材料的磁导率越大，屏蔽效能越高，屏蔽层的厚度增加也会加大屏蔽效能。但增加单层屏蔽的厚度并不经济，最好采用多层屏蔽的方法。低频磁场屏蔽的方法，在高频时由于铁磁性材料，磁导率下降和磁损增加而不适用。高频磁场屏蔽可采用金属良导体，例如铜、铝等。当高频磁场穿过金属板时将产生很大的涡流，涡流产生的反磁场会抵消原来的磁场。因此，屏蔽体的屏蔽效能与屏蔽体上产生的涡流大小有关。此外，高频电流具有集肤效应，涡流只在金属表面流过，所以金属薄层就能起到良好的高频磁场屏蔽作用。如果屏蔽体接地良好，还可以同时屏蔽高频电场。
　　电磁场屏蔽用于抑制电磁骚扰源离敏感设备较远时，通过电磁波耦合所产生的干扰。由于必须同时屏蔽电场和磁场，应采用良导体材料。电磁波入射到良导体表面时，会产生反射和吸收，使电磁能量大大衰减，从而起到屏蔽作用。在高频时，以吸收损耗为主，而在低频时以反射损耗为主，屏蔽效能随频率越高也越高。但由于良导体时低频磁场的反射和吸收都很小，因此，只适用于高频电磁场和低频电场的屏蔽。
　　机箱的屏蔽材料一般采用铜板、铁板、铝板、镀锌铁板等，厚度约为0.2～0.8毫米。如果采用工程塑料做机箱，则需在塑料中掺入高电导率的金属粉而成为导电塑料，或在其表面喷涂一层导电薄膜。实际机箱总有各种大小的孔、洞和缝隙，都可能造成电磁波的严重泄漏。改善孔缝屏蔽的方法，可以采用导电衬垫、金属丝网、截止波导管、截止波导通风板、导电玻璃视窗等。
　　屏蔽电缆是在绝缘导线外面再包一层金属薄膜，即屏蔽层。屏蔽层通常是铜丝或铝丝编织网，或无缝铅铂，其厚度远大于集肤深度。屏蔽层的屏蔽效能主要不是因反射和吸收所得到的，而是由屏蔽层接地所产生的。也就是说，屏蔽电缆的屏蔽层只有在接地以后才能起到屏蔽作用。例如，骚扰源电路的导线对敏感电路的单芯屏蔽线产生的干扰是通过源导线与屏蔽线的屏蔽层间的耦合电容，和屏蔽线的屏蔽层与芯线之间的耦合电容实现的。如果把屏蔽层接地，则干扰也被短路至地，不能再耦合到芯线上，屏蔽层起到了电场屏蔽的作用。但屏蔽电缆的磁场屏蔽则要求屏蔽层两端接地。例如，当骚扰电流流过屏蔽线的芯线时，虽然屏蔽层与芯线间存在互感，但如果屏蔽层不接地或只有一端接地，屏蔽层上将无电流通过，电流经接地平面返回源端，所以屏蔽层不起作用，不会减少芯线的磁场辐射。如果屏蔽层两端接地，当频率较高时，可以证明，芯线电流的回流几乎全部经由屏蔽层流回源端，屏蔽层外由芯线电流和屏蔽层回流产生的磁场大小相等、方向相反，因而互相抵消，达到了屏蔽的目的。
   但如果频率较低，则回流的大部分将流经接地平面返回，屏蔽层仍不能起到防磁作用。而且，当频率虽高，但屏蔽层接地点之间存在地电压时，将在芯线和屏蔽层中产生共模电流，而在负载端引起差模干扰。在这种情况下，需要采用双重屏蔽电缆或三轴式同轴电缆方可解决问题。综上所述，对于低频电路，应单端接地，例如，信号源通过屏蔽电缆与一公共端接地的放大器相连，则屏蔽电缆的屏蔽层应直接接在放大器的公共端；而当信号源的公共端接地，放大器不接地，则屏蔽电缆屏蔽层应直接接在信号源的公共端。对于高频电路，屏蔽电缆的屏蔽层应双端接地，如果电缆长于1／20波长，则应每隔1／10波长距离接一次地。实现屏蔽层接地时，应使屏蔽电缆的屏蔽层和屏蔽电缆连接器的金属外壳呈360度良好焊接或紧密压在一起，电缆的芯线和连接器的插针焊接在一起，同时将连接器的金属外壳与屏蔽机壳紧密相连，使屏蔽电缆成为屏蔽机箱的延伸。
五、滤波技术用来抑制电磁骚扰沿导线的传输

　　分离信号、抑制骚扰是这类滤波器的基本用途，它能使需要的频率分量顺利通过，并对不需要的频率分量进行抑制。因此，它最重要的特性是插入损耗随频率的变化，即频率特性。插入损耗定义为信号源不接滤波器直接加在负载上的电压与信号源通过滤波器后加在负载上的电压的比值。能无衰减地通过滤波器的频率范围称为通带，而受到很大衰减的频率范围称为阻带。抑制骚扰的滤波器有反射式滤波器和吸收式滤波器等。
　　反射式滤波器通常是由电感、电容等元件组成的低通滤波器，在滤波器阻带内能提供高的串联阻抗和低的并联阻抗，使它与骚扰源的阻抗严重不匹配，从而把高频分量反射回骚扰源而被滤除。而低频分量则可以很小的衰减通过。它用在交直流电源系统中可以抑制电源线中的高频骚扰，用在放大器或发射机输出电路中可以滤除有用信号的高次谐波和其它杂散干扰。旁路电容滤波器就是一种典型的低通滤波器，由于频率越高，电容的阻抗越小，与骚扰源并联的电容将在高频时提供一个并联的低阻抗，使高频分量的电源主要流过电容，而低频电流则流向负载，电容起到了滤除高频成分的作用。电源滤波器也是用途很广的低通滤波器，它不仅可以阻止电网中的骚扰进入设备，也可以抑制设备产生的骚扰污染电网，其作用是双向的。除低通滤波器外，还可按不同用途选用高通、带通或带阻滤波器。
　　吸收式滤波器是由有耗器件构成的，在阻带内，有耗器件将电磁骚扰的能量吸收后转化为热损耗，而起到滤波作用。铁氧体材料就是一种广泛应用的有耗器件，可用来构成低通滤波器。铁氧体是一种磁性材料，由铁、镍、锌的氧化物混合而成，具有很高的电阻率，磁导率约为100～1500。当导线中的低频电流穿过铁氧体时几乎没有损耗，但高频电流却会受到很大损耗。铁氧体材料可以等效为电阻值和电感量都随频率变化的电阻和电感的串联，总的阻抗随频率升高而增加。但在低频段内，电感起主要作用，在高频段，电阻起主要作用，电阻随频率升高而增加，电感却随频率升高而减少，因此对高频分量起到较大的衰减作用，对直流或低频分量几乎没有衰减。根据不同的使用场合，铁氧体吸收式滤波器可以做成多种形式，例如可以直接焊接在印制电路板上的电阻元件形，可以串接在低速信号线中的多线磁珠，可以套在元、器件引脚或导线上的磁环，可以套在电缆上的柱形磁环和矩形磁环等。

  六、为达到理想效果必须综合使用接地、屏蔽、滤波等措施

　　电磁骚扰可以通过导线进行传输，也能以电磁波和电磁场的形式向空间传播，而通过导线传输时也可以同时向空间辐射，向空间传播时也能在导线中感应出骚扰电流并沿导线传输。因此，要有效地抑制电磁骚扰，就必须综合使用接地、屏蔽、滤波等措施。
　　静电场屏蔽的必要条件是金属屏蔽体接地。为了同时屏蔽高频磁场和高频电场，当然，也应将金属屏蔽体接地。而电磁屏蔽是用金属屏蔽体阻止高频电磁场在空间传播的一种措施，为了避免因电磁感应而使屏蔽效能下降，金属屏蔽体也应接地，同时，为了避免地电压在屏蔽体内造成干扰，还应当单点接地。前面已经指出，屏蔽电缆的屏蔽层只有在接地以后才能起屏蔽作用。可见，屏蔽与接地是不可分的。
　　电磁骚扰侵入屏蔽体的主要途径是输入输出接口和电源线输入口。我们知道，屏蔽体内部的电磁骚扰可以耦合到进、出屏蔽体的导线和电缆上，传导到屏蔽体外，造成辐射；同样，外界的电磁骚扰也会通过这些导线和电缆经过电磁感应，传导进入屏蔽体，通过传导或辐射对屏蔽体内的电路造成干扰。为了阻止干扰电流流入或流出这些导线和电缆，一种简单可行的方法，就是屏蔽体输入输出接口和电源线输入口分别采用滤波器连接器和馈通滤波器。此外，屏蔽体上的通风口可采用由截止波导管组成的蜂窝状通风窗；当面板上采用非金属轴杆的可调器件时，也可将非金属轴杆穿过截止波导管。这是因为，截止波导管是一种高通滤波器，当电磁波的频率低于它的截止频率时，就不能通过，所以起到了屏蔽作用。用导电玻璃做成的屏蔽视窗，实质上也是高通滤波器。可见，屏蔽与滤波也是不可分的。
　　除了特别说明允许不接地的滤波器在使用时可不接地外，各类滤波器都必须接地。因为滤波器中的共模旁路电容只有接地时才能起作用，而且，接地阻抗越小，滤波效果越好。特别是π型滤波器，接地不良时，相当为电容和电感并联，完全失去了滤波的作用。此外，安装滤波器时，还应借助于屏蔽，把滤波器的输入端和输出端隔离开来，将电磁耦合控制到最低限度，才能发挥滤波器的抑制能力。所以滤波技术是和接地、屏蔽都有密切关系的。
　　前面提到，为了减小地环路干扰，需要将信号地线与机壳地线绝缘，然后分别在各自的汇流条的终端接地。因此信号地线需通过馈通滤波器引出机壳。可见，接地与滤波有关。高层建筑的接地线，很容易感应电磁骚扰，因此地线外需加屏蔽套筒，并在接大地端单端接地。所以，接地与屏蔽也是有关的。
七、进一步滤除混在数　字信号中噪声的方法

　　在信号地和机壳地绝缘并采用滤波器连接器使共模噪声和差模噪声大大降低以后，如果剩余的噪声对于逻辑器件的噪声容限而言仍不可忽视时，则可以根据不同噪声性质，采用整形电路积分电路等硬件措施，也可以采用软件方法作进一步的抑制。例如，利用施密特电路的回差特性，抑制叠加在数字信号上的振铃噪声、尖峰噪声、寄生振荡等干扰；利用双向限幅电路削去数字信号顶部和底部的噪声；利用积分电路去除窄脉冲噪声，积分电路的时间常数应大于脉冲噪声的宽度而小于数字信号的宽度；利用可重复触发单稳态电路去除输入信号中混杂的毛刺；利用普通单稳器件和D型触发器组成的抗脉冲干扰电路，滤除输入信号上带有的脉冲噪声等。但当传输线较长时应注意阻抗匹配问题，避免数字信号产生上冲、下冲等振荡现象所造成的逻辑电路误动作。
  八、雷击防护
　　雷电是由于大气放电所产生的，当带有正电荷的雷云和带有负电荷的雷云离得较近时，就会产生强烈的放电，持续时间约50至100微秒，放电电流可达200至300千安，温度约为2万摄氏度，从而出现耀眼的闪光和雷鸣。雷击可分为直击雷和感应雷。当雷云很低，周围又没有异性电荷雷云时，就在地面的凸出物上感应异性电荷，继而造成与地面凸出物之间的放电，这就是直击雷。为预防直击雷，可架设避雷针，避雷针应良好接地，接地电阻一般要求为5至10欧姆。直击雷发生时，强大的放电电流通过避雷针接地极注入大地后，将向周围扩散，引起周围地电位升高。如果有两组电子、电气产品通过各自的接地极接地，由于它们与避雷针接地极的距离不同，地电位升高也不同，两组产品接地极间的电位差使两组产品间存在地环路干扰。解决的办法是将两组产品的地线接在同一个接地极上，而该接地极应远离避雷针接地极至少20米。感应雷产生的原理是由于雷电放电电流是强烈的电磁骚扰源，能向周围空间辐射很强的电磁场，而使地面上的导体感应出很高的浪涌电压，电子、电气产品中的信号线、电源线中也会感应出高电压和大电流，直接烧毁元器件和电路，甚至造成永久性损坏。对此，应采用适当的浪涌抑制器件，如气体放电管，硅雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻，以及固态瞬变电压抑制器等。
　　气体放电管利用气体放电引起短路的原理制成，它跨接在线路输入端，没有浪涌时阻抗非常大可达10吉欧姆，电容约1至5皮法，所以不会对线路有任何影响。当浪涌电压输入时，放电管放电导通，阻抗只有毫欧姆量级，为浪涌提供了泄放通路，而不致于进入产品电路内部。气体放电管的优点是能承受大于20千安、持续时间为几十微秒的冲击电流，但所能承受脉冲过后的持续电流仅为100安，所以在使用时应串接一个2欧姆、2瓦的金属氧化物薄膜电阻，以限制持续电流的幅值。　　
    硅雪崩二极管是一种结面积较大的齐纳二极管，当有浪涌电压侵入时，能迅速将电压峰值钳位于规定值上，响应时间小于1纳秒。钳位电压可取6.8伏至400伏。其优点是在浪涌抑制过程中，输入端不短路，不影响内部电路的工作；而且响应速度快，抑制效果好，残留尖峰很小；浪涌过后即自行恢复，没有延迟时间等。不足之处是承受尖峰电流的能力比气体放电管差。
　　金属氧化物压敏电阻也是靠电压钳位来抑制浪涌，响应时间小于50纳秒，但承受尖峰电流的能力比硅雪崩二极管高。
　　固体瞬变电压抑制器是一种新型浪涌抑制器，一旦浪涌侵入，首先起钳位作用，然后呈短路状态，将浪涌能量泄放掉，最后恢复原始状态。其体积很小，可以在印制电路板上表面安装，但承受冲击电流的能力还未达到气体放电管的水平。
　　雷电保护电路常采取混合式电路，即将气体放电管安排在最前面，硅雪崩二极管或金属氧化物压敏电阻安排在后面，中间用电阻或电感阻隔。当浪涌侵入时，因硅雪崩二极管响应速度快，可以先抑制浪涌的快速上升沿，而大量浪涌能量则通过气体放电管泄放。为了防止气体放电管因为后级的钳位而达不到其放电起始电压，所以需要加电阻或电感进行阻隔。

　　总的说来，进行产品电磁兼容性设计时，表面上看，好象很复杂，令人无法下手。但如果能牢固掌握基本概念和上述八个应注意的问题，任何复杂的电磁兼容性设计，都是可以迎刃而解的。